TWI832731B - 絕對位置編碼器 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種絕對位置編碼器，包括一載體、數個第一標識、一第二標識、一投射單元、一感測單元及一訊號處理單元，其中該第一標識沿著第一方向間隔配置在該載體，該第二標識單元對應各該第一標識配置在該載體，該第二標識及各該第一標識之間的距離沿著該第一方向遞增，該投射單元用於對該第一標識及該第二標識分別投射第一光學訊號及第二光學訊號，該感測單元用於感測該第一光學訊號及該第二光學訊號，並據以生成相應的電子訊號，該訊號處理單元用於將該電子訊號轉換為編碼。
Description
本發明涉及一種光學式線性編碼器；特別是指一種絕對位置編碼器之創新結構型態揭示者。
光學式線性編碼器包括一標尺、一投射單元、一讀取頭及一處理單元，其中該標尺形成線性排列的數個刻度，該投射單元對該標尺投光，該讀取頭與該刻度相對，該讀取頭讀取該刻度反射的光，將編碼位置轉換為數字信號，數字讀出器或運動控制器解碼該數字信號，即可獲得該讀取頭及標尺彼此間相對移動的距離，光學尺是一種常見的線性編碼器。
伺服控制系統採用線性編碼器，可以提供兩物件相對運動的位移量，其中將該標尺設置在一物件，該讀取頭設置在另一物件，各該物件相對線性運動時，通過該讀取頭讀取對應的該刻度，可以獲得各該物件的相對位移量。
查，習知線性編碼器於實際應用經驗中發現仍舊存在下述問題與缺弊：習知線性編碼器可以應用在檢測該標尺及該讀取頭的相對位移量，該標尺及該讀取頭相對運動後，若未能復歸為初始位置，電力中斷後再次啟動時，無法通過習知線性編碼器判斷該標尺或該讀取頭的絕對位置，必需進行復歸校正，該伺服控制系統始能再次運作，對於材料層積製程或其他需要連續製程的應用場合，可能由於無法辨識絕對位置，而無法續行製程，導致未完成的半成品廢棄。
本發明之主要目的，係在提供一種絕對位置編碼器，其所欲解決之技術問題，係針對如何研發出一種更具理想實用性之新式編碼器為目標加以思索創新突破。
基於前述目的，本發明解決問題之技術特點，主要在於該絕對位置編碼器係包括：
一載體；
數個直線狀的第一標識形成於該載體，各該第一標識沿著一第一方向依序間隔配置，各該第一標識的線性延伸方向定義為第二方向；
一連續線性的第二標識形成於該載體，該第二標識及各該第一標識沿著該第二方向對應，該第二標識及各該第一標識之間沿著該第二方向的距離係由該第二標識的一端沿著該第一方向向該第二標識的另一端遞增；
一投射單元包括一第一投光器及至少一個第二投光器，其中定義一第三方向正交該第一方向及該第二方向，該第一標識及該第二標識分別與該投射單元沿著該第三方向相對，該第一投光器用於對各該第一標識投射第一光學訊號，該第二投光器用於對該第二標識投射第二光學訊號；
一感測單元，該感測單元沿著該第一方向相對於該載體往復作動，該感測單元包括一第一感測模組及至少一第二感測模組，其中該第一標識及該第二標識分別與該感測單元沿著該第三方向相對，該第一感測模組用於感測該第一光學訊號，該第二感測模組用於感測該第二光學訊號，該感測單元基於該第一光學訊號及該第二光學訊號生成相應的電子訊號；以及
一訊號處理單元連接該感測單元，該訊號處理單元主要由電子電路構成，該訊號處理單元用於將該電子訊號轉換為編碼值。
本發明之主要效果與優點，係能夠產生位置碼，據此判斷該載體及該感測單元在該第一方向上的絕對位置。
請參閱圖式所示，係本發明絕對位置編碼器之數個實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制。
如圖1至圖4所示，所述絕對位置編碼器的實施例一，包括一載體10、數個直線狀的第一標識20、一連續線性的第二標識30、一投射單元40、一感測單元50及一訊號處理單元60，其中該載體10係片狀的碼盤，該第一標識20形成於該載體10，各該第一標識20沿著一第一方向92依序間隔配置，各該第一標識20的線性延伸方向定義為第二方向94，該第二標識30及各該第一標識20沿著該第二方向94對應，該第二標識30及各該第一標識20之間沿著該第二方向94的距離D係由該第二標識30的一端沿著該第一方向92向該第二標識30的另一端遞增。
該投射單元40包括一第一投光器42及一第二投光器44，其中定義一第三方向96正交該第一方向92及該第二方向94，該第一標識20及該第二標識30分別與該投射單元40沿著該第三方向96相對，該第一投光器42用於對各該第一標識20依序投射第一光學訊號，該第二投光器44用於對該第二標識30投射第二光學訊號。
該投射單元40及該感測單元50沿著該第一方向92同步地相對於該載體10往復作動，該感測單元50包括一第一感測模組52及一第二感測模組54，其中該第一標識20及該第二標識30分別與該感測單元50沿著該第三方向96相對，該第一感測模組52用於感測該第一光學訊號，該第二感測模組54用於感測該第二光學訊號，該感測單元50基於該第一光學訊號及該第二光學訊號生成相應的電子訊號。
該第一感測模組52是光學感測器，通過是否讀取該第一光學訊號及讀取該第一光學訊號的次數，可作為判斷該感測單元50及該載體10沿著該第一方向92相對作動距離的依據；該第二感測模組54是感光元件，所述感光元件的具體例包括電荷耦合裝置（Charge-coupled Device，簡稱CCD）及應用作為互補式金氧半圖像傳感裝置的互補式金屬氧化物半導體（Complementary
Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱 CMOS）。
該訊號處理單元60連接該感測單元50，該訊號處理單元60主要由電子電路構成，該訊號處理單元60用於將該電子訊號轉換為編碼值，該訊號處理單元60係電子電路領域人士所熟習的既有技術，恕不詳述該訊號處理單元60的具體構成。
本例中，該載體10具有一第一側12，該第一標識20及該第二標識30配置在該第一側12，該投射單元40及該感測單元50面向該第一側12，該第一側12形成反光狀態，且該第一標識20及該第二標識30分別由吸光材料構成。
該第一側12可置換為吸光狀態，該第一標識20及該第二標識30配合置換為反光材料構成，據此構成基於實施例一變換的變換實施例。
該第一標識20及該第二標識30分別為薄膜，該第一標識20及該第二標識30可選擇利用印刷手段形成，亦可選擇對薄膜施以裁切構成該第一標識20及該第二標識30，亦可選擇將吸光性油墨或反光性油墨利用印刷手段形成該第一標識20及該第二標識30。
該第一標識20對該第一感測模組52反射該第一光學訊號，據使該訊號處理單元60編成距離碼，該距離碼用於判斷該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50移動的距離。
隨著所述相對移動的進行，該第二標識30對該第二感測模組54反射該第二光學訊號，該第二感測模組54基於感測光量及接受該第二光學訊號的分佈位置，對該訊號處理單元60傳送相對應的電子訊號，所述感測光量及分布位置的不同，該第二感測模組54傳送不同的電子訊號，不同的電子訊號具有不同的電壓值，該訊號處理單元60基於所述的電壓值，編成相應的位置碼，該位置碼用於判斷該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50的絕對位置。
應用在伺服控制系統時，該載體10及該感測單元50相對運動後，縱然未執行該載體10或該感測單元50復歸初始位置的操作，設備關機或電力中斷後，再次啟動時，能夠依據該第二感測模組54感測結果，立即獲得該位置碼，不需要執行復歸校正，該伺服控制系統即可再次運作。
應用在短行程位移的系統時，不需要配置數量龐大的該第二投光器44及該第二感測模組54，甚至不需要為了配置更多數量的該第二投光器44及該第二感測模組54，而選擇利用微小形且單價較高的組件，能夠降低設備成本。
本例中，該第二標識30係選擇為直線狀標識，該第二標識30亦可選擇置換為其他形式，該載體10進一步形成一直線狀的基準標識22，該基準標識22沿著該第一方向92延伸，各該第一標識20分別連接該基準標識22，據此提供各該第一標識20配置時的對位方便性。
如圖5及圖6所示，實施例二主要不同於實施例一之構成在於，該投射單元40包括數個該第二投光器44，各該第二投光器44沿著該第二方向94配置，該感測單元50包括數個該第二感測模組54，各該第二感測模組54沿著該第二方向94配置。
該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50沿著該第一方向92作動時，各該第二投光器44分別沿著該第三方向96對該載體10投射該第二光學訊號，隨著所述移動的進行，各該第二投光器44分別依序地沿著該第三方向96對應該第二標識30，據此，各該第二光學訊號依序接觸該第二標識30，各該第二感測模組54依序地讀取接觸該第二標識30的相應該第二光學訊號，各該第二感測模組54遂基於讀取該第二光學訊號及未讀取該第二光學訊號分別生成不同形態的該電子訊號，該訊號處理單元60基於各該電子訊號編成相應的位置碼，該位置碼用於判斷該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50的絕對位置。
具體而言，該第二感測模組54可選擇利用感光器構成，各該第二感測模組54可依序派發識別代碼，設若未讀取該第二光學訊號的該第二感測模組54生成代碼0，讀取該第二光學訊號的該第二感測模組54生成代碼1，配合所述的識別代碼，即可組合產生該位置碼，且該位置碼對應該感測單元50相對於該第二標識30在該第一方向92上的絕對位置；未讀取該第二光學訊號的該第二感測模組54亦可選擇生成代碼1，讀取該第二光學訊號的該第二感測模組54則生成代碼0，同樣能夠產生對應所述絕對位置的該位置碼。
如圖7所示，實施例三主要不同於實施例一之構成在於，該載體10係為線性滑軌，亦可選擇工具載台或被加工物作為該載體10的具體示例。
如圖8所示，實施例四主要不同於實施例一之構成在於，該第一標識20及該第二標識30作為一標識系統01的構成，分別形成該標識系統01的兩側。
如圖9所示，實施例五主要不同於實施例一之構成在於，該載體10具有該第一側12及一第二側14，該第一側12及該第二側14沿著該第三方向96相對，該投射單元40面向該第一側12，該感測單元50面向該第二側14，第一標識20及該第二標識30分別位於該第一側12，該第二側14進一步對應該第一側12形成相同的該第一標識20及該第二標識30。
實施例五可進一步選擇變化該載體10係利用透明材料構成的碼盤，該載體10選擇在該第一側12或該第二側14配置該第一標識20及該第二標識30，從而構成基於實施例五的變換實施例。
實施例五可進一步選擇利用面光源裝置作為該投射單元40，並配合該載體10利用透明材料構成，該投射單元40對該第一側12投射的光學訊號涵蓋該第一標識20及該第二標識30，從而構成基於實施例五的另一種變換實施例，據此該投射單元40及該載體10不需要相對作動，該感測單元50及該載體10相對作動，即可遂行作動距離及絕對位置的編碼，所述的面光源裝置乃是所屬領域具有通常知識的人士依據既有技術對該第一投光器42及該第二投光器44所能易於思及的等效置換。
如圖10所示，實施例六主要不同於實施例五之構成在於，該第一標識20及該第二標識30分別係貫穿該載體10所形成者；實施例六亦可進一步選擇利用面光源裝置作為該投射單元40，從而構成基於實施例六的另一種變換實施例。
如圖11及圖12所示，實施例七主要不同於實施例二之構成在於，實施例七更包括一標識圖形70形成於該載體10，其中該第一標識20連接該標識圖形70的一側，該第二標識30形成該標識圖形70的另一側，該第一方向92及該第二方向94分別為直線方向。
該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50沿著該第一方向92作動時，各該第二投光器44分別投射的該第二光學訊號依序接觸該第二標識30及該標識圖形70，各該第二感測模組54依序地讀取接觸該第二標識30或該標識圖形70的相應該第二光學訊號，各該第二感測模組54據此分別生成不同形態的該電子訊號，該訊號處理單元60基於各該電子訊號編成相應的位置碼，該位置碼用於判斷該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50的絕對位置。
如圖13至圖15所示，實施例八主要不同於實施例七之構成在於，該第二標識30係圓弧形，該標識圖形70具有一圓弧形的弧邊72，該弧邊72及該第二標識30分別形成該標識圖形70沿著該弧邊72之半徑方向的兩側，所述半徑方向係指通過該弧邊72之圓心C並正交該弧邊72的方向，該弧邊72的半徑小於該第二標識30的半徑，該弧邊72及該第二標識30的一端連接，且該弧邊72及該第二標識30相切，該弧邊72位於該第二標識30及該弧邊72之圓心C之間，各該第一標識20選擇沿著該第一方向92等距間隔配置，該第一標識20的一端連接該弧邊72，另一端指向該圓心C，據此標示依據該圓心C為中心在該弧邊72的圓周方向上的角度。
定義一虛擬的軸線L沿著該第三方向96通過該圓心C，該投射單元40及該感測單元50分別依據該軸線L為中心同步地相對於該載體10往復旋轉。
實施例八可應用在該載體10相對於該投射單元40及該感測單元50旋轉作動的場合，從而對作動的角度及絕對位置取得編碼。
本發明前述各實施例，利用該第一標識20及該第二標識30之間在距離上漸變的變化，作為判別該載體10及該感測單元50相對作動之距離及位置的依據，進而編成該距離碼及該位置碼，具有極高的產業利用價值。
01:標識系統
10:載體
12:第一側
14:第二側
20:第一標識
22:基準標識
30:第二標識
40:投射單元
42:第一投光器
44:第二投光器
50:感測單元
52:第一感測模組
54:第二感測模組
60:訊號處理單元
70:標識圖形
72:弧邊
92:第一方向
94:第二方向
96:第三方向
C:圓心
D:距離
L:軸線
圖1係本發明實施例一之架構示意圖。
圖2係本發明實施例一之載體的俯視圖。
圖3係本發明實施例一之使用狀態示意圖（一）。
圖4係本發明實施例一之使用狀態示意圖（二）。
圖5係本發明實施例二之架構示意圖。
圖6係本發明實施例二之俯視示意圖。
圖7係本發明實施例三之載體的部份立體圖。
圖8係本發明實施例四之載體的立體圖。
圖9係本發明實施例五之架構示意圖。
圖10係本發明實施例六之載體的立體圖。
圖11係本發明實施例七之載體的俯視圖。
圖12係本發明實施例七之俯視示意圖。
圖13係本發明實施例八之架構示意圖。
圖14係本發明實施例八之載體的俯視圖。
圖15係本發明實施例八之使用狀態示意圖。
10:載體
12:第一側
20:第一標識
22:基準標識
30:第二標識
40:投射單元
42:第一投光器
50:感測單元
52:第一感測模組
54:第二感測模組
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92:第一方向
94:第二方向
96:第三方向
Claims (9)
- 一種絕對位置編碼器，包括：一載體；數個直線狀的第一標識形成於該載體，各該第一標識沿著一第一方向依序間隔配置，各該第一標識的線性延伸方向定義為第二方向；一連續線性的第二標識形成於該載體，該第二標識及各該第一標識沿著該第二方向對應，該第二標識及各該第一標識之間沿著該第二方向的距離係由該第二標識的一端沿著該第一方向向該第二標識的另一端遞增；一投射單元包括一第一投光器及至少一個第二投光器，其中定義一第三方向正交該第一方向及該第二方向，該第一標識及該第二標識分別與該投射單元沿著該第三方向相對，該第一投光器用於對各該第一標識投射第一光學訊號，該第二投光器用於對該第二標識投射第二光學訊號；一感測單元，該感測單元沿著該第一方向相對於該載體往復作動，該感測單元包括一第一感測模組及至少一第二感測模組，其中該第一標識及該第二標識分別與該感測單元沿著該第三方向相對，該第一感測模組用於感測該第一光學訊號，該第二感測模組用於感測該第二光學訊號，該感測單元基於該第一光學訊號及該第二光學訊號生成相應的電子訊號；以及一訊號處理單元連接該感測單元，該訊號處理單元主要由電子電路構成，該訊號處理單元用於將該電子訊號轉換為編碼值；其中該第二感測模組是電荷耦合裝置或互補式金屬氧化物半導體， 該第二感測模組基於感測光量及接受該第二光學訊號的分佈位置，對該訊號處理單元傳送相對應的電子訊號，不同的電子訊號具有不同的電壓值，該訊號處理單元基於所述的電壓值，編成相應的位置碼，該位置碼用於判斷該載體相對於該投射單元及該感測單元的絕對位置。
- 如請求項1所述之絕對位置編碼器，其中該投射單元及該感測單元沿著該第一方向同步地相對於該載體往復作動。
- 如請求項1所述之絕對位置編碼器，其中該載體具有一第一側，該第一標識及該第二標識配置在該第一側。
- 如請求項1所述之絕對位置編碼器，其中該載體具有一第一側及一第二側，該第一側及該第二側沿著該第三方向相對，該第一標識及該第二標識分別係貫穿該載體形成者，該投射單元面向該第一側，該感測單元面向該第二側。
- 如請求項1所述之絕對位置編碼器，更包括一標識圖形形成於該載體，其中該第一標識連接該標識圖形的一側，該第二標識形成該標識圖形的另一側，該第一方向及該第二方向分別為直線方向。
- 如請求項1至5中任一請求項所述之絕對位置編碼器，其中該載體係碼盤或線性滑軌或工具載台或被加工物。
- 如請求項1至3中任一請求項所述之絕對位置編碼器，更包括一標識圖形形成於該載體，其中該第二標識係圓弧形，該標識圖形具有一圓弧形的弧邊，該弧邊及該第二標識分別形成該標識圖形沿著該弧邊之半徑方向的兩側，該弧邊的半徑小於該第二標識的半徑，該弧邊及該第二標識的一端連接，且該弧邊及該第二標識相切，該弧邊位於該第二標識及該弧邊之圓心之間，該第一標識的一端連接該弧邊，另一端指向該圓心，據此標示依據該圓心為中心在該弧邊的圓周方向上的角度；定義一虛擬的軸線沿著該第三方向通過該圓心，該投射單元及該感測單元分別依據該軸線為中心同步地相對於該載體往復旋轉。
- 如請求項7所述之絕對位置編碼器，其中該載體係碼盤或線性滑軌或工具載台或被加工物。
- 如請求項1或2所述之絕對位置編碼器，其中該投射單元包括數個該第二投光器，各該第二投光器沿著該第二方向配置，該感測單元包括數個該第二感測模組，各該第二感測模組沿著該第二方向配置。
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2023
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- 2023-03-21 TW TW112110459A patent/TWI832731B/zh active
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